# 复可微
注意要求点位于内部而不是边界
定义
对于复变函数 f:D(⊂C)→C, z0∈D∘,如果极限
z→z0limz−z0f(z)−f(z0)=(ζ→0limζf(z0+ζ)−f(z0))
存在,则称 f 在 z0 处 复可微,称该极限为 f 在 z0 处的微分系数,记为 f′(z0) 或 dzdf(z0)。
命题 四则性质与链式法则
若函数 f,g 在 z0 处复可微,则
- f+g 在 z0 处复可微,且 (f+g)′(z0)=f′(z0)+g′(z0)
- fg 在 z0 处复可微,且 (fg)′(z0)=f′(z0)g(z0)+f(z0)g′(z0)
- 若 g(z0)=0,则 gf 在 z0 处复可微,且
(gf)′(z0)=(g(z0))2f′(z0)g(z0)−f(z0)g′(z0)
若函数 f 在 z0 处复可微,且函数 g 在 f(z0) 处复可微,则复合函数 g∘f 在 z0 处复可微,且
(g∘f)′(z0)=g′(f(z0))⋅f′(z0)
证明
与实变函数相同,此处省略
对于全域可微的函数
定义
若 f 在 D 上每一点都复可微,则称 f 在 D 上 全纯 (holomorphic)「正則」
特别地,D=C 时,称 f 为 整函数 (entire function)
# Cauchy-Riemann 方程
由于复平面与实二维平面同胚 C≅R2
取同胚映射 J:R2→C, J(x,y)=x+iy
则任意复变函数 f(z=x+iy):D→C 都可以被视为实变函数 f~(x,y):=f∘J:J−1(D)→C
记 f~ 的实部与虚部分别为 u, v,即
f~(x,y)=u(x,y)+iv(x,y)
可以看出,原复变函数转化为二元实变,复数值函数,再进一步被分解为两个实值二元函数 u,v
即 u,v 的性质完全足以控制 f,复变函数的解析转变回实变函数
定理 Cauchy-Riemann 方程
以下条件等价:
- f 在 z0 处复可微
- (u,v) 在 (x0,y0) 处 Frechet 可微,且满足 Cauchy-Riemann 方程
∂x∂u(x0,y0)=∂y∂v(x0,y0)∂y∂u(x0,y0)=−∂x∂v(x0,y0)
并且给出微分系数
f′(z0)=∂x∂u(x0,y0)+i∂x∂v(x0,y0)=∂y∂v(x0,y0)−i∂y∂u(x0,y0)
证明
(⇒)
令 f′(z0)=w→0limwf(z0+w)−f(z0),z0:=x0+iy0,等价于
w→0lim∣w∣∣f(z0+w)−f(z0)−f′(z0)w∣=0
令 S:=f(z0+w)−f(z0)−f′(z0)w,取
{h:=Re(w)k:=Im(w),{α:=Re∘f′β:=Im∘f′
则分子可写为
S=f(z0+w)−f(z0)−f′(z0)w=f(z0+w)u(x0+h,y0+k)+iv(x0+h,y0+k))−f(z0)−u(x0,y0)−iv(x0,y0)−f′(z0)w−(α(x0,y0)+iβ(x0,y0))(h+ik)==:Ru(x0+h,y0+k)−u(x0,y0)−(α(x0,y0)h−β(x0,y0)k)+i=:I(v(x0+h,y0+k)−v(x0,y0)−(β(x0,y0)h+α(x0,y0)k))
即原极限
w→0lim∣w∣∣f(z0+w)−f(z0)−f′(z0)w∣=(h,k)→(0,0)limh2+k2R2+I2=0⟺condition 1(h,k)→(0,0)limh2+k2∣R∣=0∧condition 2(h,k)→(0,0)limh2+k2∣I∣=0
其中,condition 1 等价于 u 在 (x0,y0) 处 Frechet 可微,且
∂x∂u(x0,y0)=α(x0,y0),∂y∂u(x0,y0)=−β(x0,y0)
condition 2 等价于 v 在 (x0,y0) 处 Frechet 可微,且
∂x∂v(x0,y0)=β(x0,y0),∂y∂v(x0,y0)=α(x0,y0)
得到 C-R 方程成立
(⇐)
由于 f∘J=u+iv,则
f(z0+w)−f(z0)==:Ru(x0+h,y0+k)−u(x0,y0)+i=:I(v(x0+h,y0+k)−v(x0,y0))
取 R,I 的一次近似展开
{R≈R1:=∂x∂u(x0,y0)h+∂y∂u(x0,y0)kI≈I1:=∂x∂v(x0,y0)h+∂y∂v(x0,y0)k
由 C-R 方程可知 ∂y∂u(x0,y0)=−∂x∂v(x0,y0), ∂x∂u(x0,y0)=∂y∂v(x0,y0)
f(z0+w)−f(z0)≈R1+iI1=(∂x∂u(x0,y0)+i∂x∂v(x0,y0))h+(∂y∂u(x0,y0)+i∂y∂v(x0,y0))k=(∂x∂u(x0,y0)+i∂x∂v(x0,y0))(h+ik)=C−R(∂y∂v(x0,y0)−i∂y∂u(x0,y0))(h+ik)
所以
∣∣∣∣∣wf(z0+w)−f(z0)−(∂x∂u(x0,y0)+i∂x∂v(x0,y0))∣∣∣∣∣→0(w→0)
即 f 在 z0 处复可微,且
f′(z0)=∂x∂u(x0,y0)+i∂x∂v(x0,y0)(=∂y∂v(x0,y0)−i∂y∂u(x0,y0))
使用 C-R 方程前一定要记得 检查 Frechet 可微性,非常容易忘
以下是一个满足 C-R 方程,但是 Frechet 不可微从而导致不能复微分的例子
f(z)={z(z)2,0,z=0z=0
证明
(满足 C-R 方程)
令 z=x+iy,x=0 处 f=x+iy(x−iy)2=x2+y2x3−3xy+y−3ix2y
u=Re∘f=x2+y2x3−3xy+y, v=Im∘f=x2+y2−3x2y
计算偏导
ux=(x2+y2)2x4+6x2y−3y2,uy=(x2+y2)2−3x2−2xy+y2
vx=(x2+y2)2−6xy3,vy=(x2+y2)2−3x4+3x2y2
代入原点,可得 C-R 方程
ux(0,0)=vy(0,0)=0uy(0,0)=−vx(0,0)=0
(Frechet 不可微)
令 (x,y)→(0,0),考虑 u,v 的微分系数
当 x=0 时
(x,y)→(0,0)lim∥(x,y)∥∥u(x,y)−u(0,0)∥=y→0lim∣y∣y2y−0=y→0limy∣y∣1=+∞
当 y=0 时
(x,y)→(0,0)lim∥(x,y)∥∥u(x,y)−u(0,0)∥=x→0lim∣x∣x2x3−0=x→0limx=0
所以 u 在 (0,0) 处不满足 Frechet 可微
同理
当 x=0 时
(x,y)→(0,0)lim∥(x,y)∥∥v(x,y)−v(0,0)∥=y→0lim∣y∣0−0=0
当 y=x 时
(x,y)→(0,0)lim∥(x,y)∥∥v(x,y)−v(0,0)∥=x→0lim2∣x∣2x2−3x3−0=x→0lim22∣x∣−3x=±223
所以 v 在 (0,0) 处也不满足 Frechet 可微
(复不可微)
当 Rez=0 时
z→0limz−0f(z)−f(0)=iy→0limiyiy(iy)2−0=y→0limiyiy=1
当 y=x 时
z→0limz−0f(z)−f(0)=x→0limx+ixx+ix(x−ix)2−0=x→0lim1+i(1−i)2=1−i=1
所以在原点处的复微分不存在 □
此外,由于以下等价条件在二元实数函数 u:D→R,(x,y)↦u(x,y) 上成立:
{u 在 D 上可微u′ 在 D 上连续⟺{u 对 x,y 偏导存在ux,uy 在 D 上连续
所以 Frechet 条件可以被放宽为 偏导存在且连续,即 C1
特别地
命题
令 Ω 为领域,f:Ω→C 在 Ω 上正则
以下条件只要有一个成立,f 在 Ω 上恒为常数
- ∀z∈Ω,f′(z)=0
- Re(f) 在 Ω 上恒为常数
- Im(f) 在 Ω 上恒为常数
- ∣f∣ 在 Ω 上恒为常数
证明
(1)
由 C-R 方程 f′=ux+ivx=vy−iux,所以在 Ω 上
f′≡0⟺ux≡uy≡0,vx≡yy≡0⟺u,v 为常数
即 f 在 Ω 上恒为常数
(2)
等价于 u 为常数,即 ux≡uy≡0
由 C-R 方程得
{vx=−uy=0vy=ux=0
所以 v 也为常数
(3)
与 (2) 相同
(4)
令 ∣f(z)∣=c≥0,若 c=0 则 f≡0
取 c>0,则
c2=∣f∣2=u2+v2
分别对 x,y 偏微分,通过代换 uy=−vy,vy=ux
{0=u⋅ux+v⋅vx0=u⋅uy+v⋅vy⟺(00)=(uvv−u)(uxvx)
由于 u2+v2=c2>0,所以此处矩阵为正则矩阵,方程仅有自明解 ux=vx=0
同样可得 uy=vy=0
事实上,对于在 D 上正则的函数 f,其实部,虚部部分 u,v 都是 D 上的调和函数 (Harmonic Function)
其中调和函数定义为
u 为调和函数⟺Δu=∂x2∂2u+∂y2∂2u=0